基于頻率掃描干涉的外時(shí)鐘信號(hào)頻率振蕩測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于分布式光纖傳感儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于頻率掃描干涉系統(tǒng)的外時(shí)鐘信號(hào)頻率振蕩的測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]頻率掃描干涉技術(shù)(SWI, Sweep-wavelength interferometry)憑借其具有非接觸損傷、信號(hào)噪聲小、響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍大、信噪比高、受光強(qiáng)變化影響等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的研宄和應(yīng)用。其典型應(yīng)用包括:用于光纖通訊網(wǎng)絡(luò)及器件測(cè)試及應(yīng)力、溫度、擾動(dòng)傳感領(lǐng)域的光頻域反射技術(shù)(OFDR, Optical Frequency Domain Reflectory)和用于生物醫(yī)學(xué)成像及工業(yè)材料檢測(cè)等領(lǐng)域的光學(xué)相干層析技術(shù)(OCT，optical coherent tomography) ο該技術(shù)采用高相干激光器進(jìn)行高速和線性波長(zhǎng)掃描，利用參考臂上由法拉第反射鏡反射的光與單模光纖背向散射光進(jìn)行干涉。由于二者的光程不同，干涉端實(shí)際上是不同頻率兩束光進(jìn)行干涉，形成拍頻。通過探測(cè)不同的拍頻信號(hào)，就可以探測(cè)傳感光纖不同位置的背向散射信息。
[0003]頻率掃描干涉技術(shù)的關(guān)鍵是需要激光器光源提供較大的光頻掃描范圍，并且光頻在掃描過程中保持高速和線性特性。這是因?yàn)樵陬l率掃描干涉技術(shù)中的信號(hào)處理需要將信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，通常使用快速傅里葉算法(FFT, Fast Fourier Transform)實(shí)現(xiàn)，而FFT算法要求自變量采取等間隔采樣，由于頻率掃描干涉技術(shù)的自變量不是時(shí)間而是激光器的瞬時(shí)光頻率，如果激光器輸出光存在相位噪聲，即使采用FFT算法，由于自變量非等間隔采樣，會(huì)造成頻率掃描干涉系統(tǒng)的空間分辨率嚴(yán)重惡化。針對(duì)這一問題，可以考慮采用附加干涉儀作為系統(tǒng)的外部時(shí)鐘進(jìn)行采樣的方案解決，但這種方案要求作為采樣時(shí)鐘的拍頻信號(hào)頻率穩(wěn)定。而實(shí)際的采樣時(shí)鐘的拍頻信號(hào)的頻率并不穩(wěn)定，其振蕩的幅度大小對(duì)系統(tǒng)的空間分辨率及測(cè)試穩(wěn)定性有很大的影響。
[0004]在頻率掃描干涉系統(tǒng)中，光源的相位噪聲會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的空間分辨率及測(cè)試距離，利用外部時(shí)鐘采樣技術(shù)在一定程度上可以消除相位噪聲的影響，其原理是實(shí)現(xiàn)每個(gè)采樣周期內(nèi)的等光頻采樣。而實(shí)際系統(tǒng)外部時(shí)鐘的拍頻信號(hào)的頻率并不穩(wěn)定，且其振蕩的幅度會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的空間分辨率及測(cè)試穩(wěn)定性。
[0005]目前，克服激光器光源相位噪聲的主要方法就是利用外時(shí)鐘采樣的方法獲得拍頻信號(hào)。但實(shí)際系統(tǒng)中的外部時(shí)鐘頻率不穩(wěn)定，對(duì)信號(hào)的空間分辨率和測(cè)試的穩(wěn)定性都造成了很大的影響，只有通過相關(guān)的技術(shù)手段，檢測(cè)出外部時(shí)鐘實(shí)時(shí)的頻率振蕩情況，才能夠探索相應(yīng)的方法降低其影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于上述現(xiàn)有風(fēng)速預(yù)報(bào)方法在技術(shù)上的不足，本發(fā)明提出了一種基于頻率掃描干涉的外時(shí)鐘信號(hào)頻率振蕩測(cè)量裝置及方法，通過實(shí)時(shí)采集頻率掃描干涉系統(tǒng)的外部時(shí)鐘信號(hào)，并采用相關(guān)算法提取外部時(shí)鐘信號(hào)的實(shí)時(shí)頻率，進(jìn)而獲得拍頻信號(hào)的頻率振蕩信息，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的獲得外部時(shí)鐘實(shí)時(shí)的頻率振蕩情況。
[0007]本發(fā)明提出了一種基于頻率掃描干涉系統(tǒng)的外時(shí)鐘信號(hào)頻率振蕩的測(cè)量裝置。其特征在于，該裝置包括可調(diào)諧激光器1、基于邁克爾遜干涉儀的外時(shí)鐘拍頻信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)9、光電探測(cè)系統(tǒng)4和數(shù)據(jù)采集卡8和計(jì)算機(jī)10 ;其中:
[0008]可調(diào)諧激光器I采用超窄線寬線性調(diào)諧激光光源，其光頻能夠?qū)崿F(xiàn)高速線性掃描，用于為系統(tǒng)提供光源；
[0009]基于邁克爾遜干涉儀的外時(shí)鐘拍頻信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)9，用于產(chǎn)生測(cè)量裝置的外部時(shí)鐘拍頻信號(hào)，包括50:50耦合器3、第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡5和第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡6、延遲光纖7 ；50:50耦合器3用于光干涉，光從50:50耦合器3的a端口進(jìn)入，從50:50耦合器3的c端口和d端口出射，分別被基于邁克爾遜干涉儀的外時(shí)鐘拍頻信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)的兩臂的第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡5和第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡6反射，并返回到50:50耦合器3的c端口和d端口，兩束光在50:50耦合器3中發(fā)生干涉，從50:50耦合器3的b端口輸出；第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡5和第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡6基于邁克爾遜干涉儀的外時(shí)鐘拍頻信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)提供反射；延遲光纖7用于實(shí)現(xiàn)非等臂的拍頻干涉；
[0010]光電探測(cè)器4，用于將基于邁克爾遜干涉儀的外時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生系系統(tǒng)9產(chǎn)生的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以及消除進(jìn)入探測(cè)器兩路信號(hào)存在的共模噪聲；
[0011]數(shù)據(jù)采集卡8，同于采集平衡探測(cè)器4輸出的模擬電信號(hào)；
[0012]計(jì)算機(jī)10:對(duì)數(shù)據(jù)采集卡8采集的干涉信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)基于外部時(shí)鐘采樣技術(shù)的時(shí)鐘拍頻信號(hào)頻率振蕩的測(cè)量。
[0013]本發(fā)明還提出了一種基于頻率掃描干涉系統(tǒng)的外時(shí)鐘信號(hào)頻率振蕩的測(cè)量方法，該方法包括以下步驟:
[0014]步驟201，基于邁克爾遜干涉儀光路產(chǎn)生外部時(shí)鐘信號(hào)Al ;
[0015]步驟202，對(duì)信號(hào)Al進(jìn)行希爾伯特變換得到信號(hào)Al的復(fù)指數(shù)表達(dá)A2 ;
[0016]步驟203，對(duì)得到的復(fù)指數(shù)信號(hào)A2實(shí)部和虛部做正切運(yùn)算，得到相位信號(hào)的正切表達(dá)式A3 ；
[0017]步驟204，對(duì)A3做反正切和相位展開運(yùn)算解卷繞得到外部時(shí)鐘信號(hào)的相位累計(jì)信號(hào)A4 ；
[0018]步驟205，對(duì)信號(hào)A4的相位累計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)化為周期累計(jì)信號(hào)A5 ;
[0019]步驟206，逐個(gè)尋找信號(hào)A5的每個(gè)整數(shù)周期時(shí)刻對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，得到時(shí)間點(diǎn)信號(hào)序列A6 ；
[0020]步驟207，對(duì)信號(hào)A6進(jìn)行前向差分運(yùn)算得到信號(hào)A7，即信號(hào)Al每個(gè)信號(hào)周期對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔；
[0021]步驟208，利用采集卡初始設(shè)定的內(nèi)部時(shí)鐘采樣頻率除以信號(hào)A7，得到系統(tǒng)外時(shí)鐘信號(hào)Al的實(shí)時(shí)頻率A8，即可提取Al頻率振蕩信息。
[0022]相比于其他頻譜分析儀器，本發(fā)明能夠通過相關(guān)算法消除高頻噪聲帶來的影響，為降低采樣時(shí)鐘的頻率振蕩幅度，提高頻率掃描干涉系統(tǒng)的空間傳感分辨率提供了理論保證。
【附圖說明】
[0023]圖1是一種基于頻率掃描干涉系統(tǒng)的外時(shí)鐘信號(hào)頻率振蕩的測(cè)量裝置示意圖；
[0024]其中:1、可調(diào)諧激光器，2、環(huán)形器，3、50:50耦合器，4、光電探測(cè)器，5、第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，6、第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，7、延遲光纖，8、數(shù)據(jù)采集卡，9、基于邁克爾遜干涉儀的外時(shí)鐘拍頻信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)，10、計(jì)算機(jī)；
[0025]圖2是基于頻率掃描干涉系統(tǒng)的外時(shí)鐘信號(hào)頻率振蕩的測(cè)量算法框圖；
[0026]圖3是基于外部時(shí)鐘采樣技術(shù)獲得的時(shí)鐘信號(hào)曲線；
[0027]其中:(A)為基于邁克爾遜干涉儀光路的產(chǎn)生的外部時(shí)鐘信號(hào)，(B)圖為外部時(shí)鐘信號(hào)拍頻細(xì)節(jié)圖。
[0028]圖4是基于外部時(shí)鐘采樣技術(shù)的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)應(yīng)拍頻周期示意圖；
[0029]圖5是在的延遲光纖長(zhǎng)度為1000m，光源的掃描速率為40nm/s的條件下測(cè)得的外部時(shí)鐘信號(hào)實(shí)時(shí)頻率圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]以下結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0031]如圖1所示，本發(fā)明為一種基于頻率掃描干涉系統(tǒng)的外時(shí)鐘信號(hào)頻率振蕩的測(cè)量裝置，包括:可調(diào)諧激光器1、基于邁克爾遜干涉儀的外時(shí)鐘拍頻信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)、光電探測(cè)系統(tǒng)、和數(shù)據(jù)采集卡、和計(jì)算機(jī)；<